Диазирин - Diazirine

Не путать с Диазиридин.
Дженерик диазирин

Диазирины представляют собой класс органических молекул, состоящих из углерода, связанного с двумя атомами азота, которые связаны друг с другом двойной связью, образуя циклопропен -подобное кольцо, 3ЧАС-диазирен. При облучении ультрафиолетовый свет, диазирины образуют реактивные карбены, которые могут вставляться в связи C-H, N-H и O-H.[1] Следовательно, популярность диазиринов возросла в качестве небольших фотореактивных сшивающих реагентов. Их часто используют в фотоаффинная маркировка исследования для наблюдения за различными взаимодействиями, включая взаимодействия лиганд-рецептор, лиганд-фермент, белок-белок и взаимодействия белок-нуклеиновая кислота.[2]

Синтез

В литературе существует ряд методов получения диазиринов, которые начинаются с различных реагентов.

Синтез из кетонов

Как правило, схемы синтеза, которые начинаются с кетонов, включают превращение кетона с желаемыми заместителями в диазиридины. Затем эти диазиридены окисляются с образованием желаемых диазиринов.

Диазиридины могут быть получены из кетонов оксимированием с последующим тозилированием (или мезилированием) и, наконец, обработкой аммиаком. Обычно реакции оксимации осуществляются путем взаимодействия кетона с хлоридом гидроксиламмония при нагревании в присутствии основания, такого как пиридин.[3][4] Последующее тозилирование или мезилирование альфа-замещенного кислорода тозилом или мезилхлоридом в присутствии основания дает тозил или мезилоксим.[5] Окончательная обработка тозил- или мезилоксима аммиаком дает диазиридин.[1][2][5][6]

Общий синтез диазиридина оксимированием, тозилированием и обработкой аммиаком.

Диазиридины также могут быть получены непосредственно реакцией кетонов с аммиаком в присутствии аминирующего агента, такого как монохлорамин или гидроксиламин-O-сульфоновая кислота.[7]

Диазиридины можно окислять до диазиринов несколькими способами. К ним относятся окисление реагентами на основе хрома, такими как Окисление Джонса,[8] окисление йодом и триэтиламином,[3] окисление оксидом серебра,[9] окисление оксалилхлоридом,[5] или даже электрохимическое окисление на платино-титановом аноде.[10]

Окисление по Джонсу универсального диазиридина до диазирина.

Синтез по реакции Грэма

Альтернативно, диазирины могут быть образованы в одном реакторе с использованием реакции Грэма. В этих схемах амидины могут быть напрямую превращены в диазирины окислением гипогалита.[11] Эта реакция дает галогенированный диазирин, который можно дополнительно модифицировать.

Реакция Грэма как метод синтеза диазирина, где X = Cl или Br.

Образующийся вышеупомянутый галодиазирин может подвергаться обменной реакции для дальнейшей функционализации диазирена. В этих реакциях анионные нуклеофилы, такие как фторид тетра-н-бутиламмония или метокситетра-н-бутиламмоний, могут заменять галогенные заместители, давая фтордиазирин или метоксидиазирин соответственно.[12]

Реакция обмена диазирина с использованием различных анионов и противоиона тетра-н-бутиламмония.

Химия

При облучении УФ-светом диазирины образуют реактивные карбен разновидность. Карбен может существовать в синглетной форме, в которой два свободных электрона занимают одну и ту же орбиталь, или в триплетной форме с двумя неспаренными электронами на разных орбиталях.

Диазирины можно разложить под воздействием ультрафиолета.

Триплет и синглетные карбеновые продукты

Заместители в диазирине влияют на то, какие карбеновые частицы образуются при облучении и последующем фотолитическом расщеплении. Заместители диазирина, которые являются донорами электронов по своей природе, могут передавать электронную плотность пустой р-орбитали карбена, которая будет образовываться, и, следовательно, могут стабилизировать синглетное состояние. Например, фенилдиазирин производит фенилкарбен в синглетном карбеновом состоянии.[13] тогда как п-нитрофенилхлордиазирин или трифторфенилдиазирин производят соответствующие триплетные карбеновые продукты.[14][15]

Электронодонорные заместители также могут способствовать фотоизомеризации в линейное диазосоединение, а не в синглетный карбен, и, следовательно, эти соединения не подходят для использования в биологических анализах.[16] С другой стороны, трифторарилдиазирины, в частности, проявляют благоприятную стабильность и фотолитические свойства.[16] и чаще всего используются в биологических приложениях.[1]

Выше показаны три диазирина. Фенилдиазирин производит синглетный карбен, тогда как трифторметилфенилдиазирин и п-нитрофенилхлордиазирин производят карбены в триплетном состоянии.

Карбены, полученные из диазиринов, быстро гасятся реакцией с молекулами воды,[17] и, следовательно, выходы для анализов фотореактивного сшивания часто низкие. Тем не менее, поскольку эта функция сводит к минимуму неспецифическую маркировку, на самом деле это преимущество использования диазиринов.

Использование в фотореактивном сшивании

Диазирины часто используются в качестве фотореактивных сшивающих реагентов, поскольку реактивные карбены, которые они образуют при облучении УФ-светом, могут вставляться в связи C-H, N-H и O-H. Это приводит к зависимому от близости мечения других видов диазиринсодержащим соединением.

Диазирины часто предпочтительнее других фотореактивных сшивающих реагентов из-за их меньшего размера, большей длины волны облучения, необходимого короткого периода облучения и стабильности в присутствии различных нуклеофилов как в кислотных, так и в основных условиях.[18] Бензофеноны, которые образуют реактивные триплетные карбонильные соединения при облучении, часто требуют длительных периодов облучения, что может привести к неспецифическому мечениям, и, более того, часто инертны по отношению к различным полярным растворителям.[19] Арилазиды требуют облучения с низкой длиной волны, что может повредить исследуемые биологические макромолекулы.

Примеры в исследованиях маркировки рецепторов

Диазирины широко используются в исследованиях маркировки рецепторов. Это связано с тем, что диазиринсодержащие аналоги различных лигандов могут быть синтезированы и инкубированы с соответствующими рецепторами, а затем подвергнуты воздействию света для получения реактивных карбенов. Карбен будет ковалентно связываться с остатками в сайте связывания рецептора. Соединение карбена может включать биоортогональную метку или метку, с помощью которой можно выделить интересующий белок. Затем белок можно расщепить и секвенировать с помощью масс-спектрометрии, чтобы определить, с какими остатками связан карбенсодержащий лиганд, и, следовательно, идентичность сайта связывания в рецепторе.

Примеры диазиринов, используемых в исследованиях маркировки рецепторов, включают:

  • Открытие брассиностероид рецептор брассиностероидных гормонов растений по Kinoshita et al. Исследователи использовали аналог растительного гормона с диазириновым сшивающим фрагментом и биотиновую метку для выделения, чтобы идентифицировать новый рецептор.[20] Это исследование привело к ряду аналогичных исследований, проведенных в отношении других гормонов растений.
Брассиностероид диазирин аналог.jpg

Примеры в исследованиях фермент-субстрат

Аналогично маркировке рецепторов соединения, содержащие диазирин, которые являются аналогами природных субстратов, также использовались для идентификации связывающих карманов ферментов. Примеры включают:

  • Синтез диазиринсодержащего аналога этопозид, широко используемое лекарство от рака, направленное на топоизомераза II, что дает надежду на идентификацию сайта связывания этопозида.[23]
    1-s2.0-S0968089611005062-gr27.png
  • Открытие того, что ингибиторы гамма-секретазы капролактамного типа нацелены на субъединицу SPP гамма-секретаза, который был замешан в болезни Альцгеймера.[24]

Примеры в исследованиях нуклеиновых кислот

Диазирины также использовались в экспериментах по фотоаффинному маркированию нуклеиновых кислот. Примеры включают:

  • Включение диазиринового фрагмента в нуклеозидный сахар в полимер ДНК для исследования взаимодействий между малой бороздкой ДНК и ДНК-полимеразами.[25]
1-s2.0-S0968089611005062-gr39.jpg
  • Включение диазиринового фрагмента на нуклеозидном основании в полимер ДНК для исследования способа репарации ДНК белками.[26]
    1-s2.0-S0968089611005062-gr40.jpg

Диазирины также использовались для изучения взаимодействия белков и липидов, например взаимодействия различных сфинголипидов с белками in vivo.[27]

Рекомендации

  1. ^ а б c Дубинский, Люба; Krom, Bastiaan P .; Мейлер, Майкл М. (15 января 2012 г.). «Фотоаффинная маркировка на основе диазирина». Биоорганическая и медицинская химия. Химическая протеомика. 20 (2): 554–570. Дои:10.1016 / j.bmc.2011.06.066. PMID  21778062.
  2. ^ а б Синц, Андреа (2007-04-01). «Исследование белок-лигандных взаимодействий методом масс-спектрометрии». ChemMedChem. 2 (4): 425–431. Дои:10.1002 / cmdc.200600298. ISSN  1860-7187. PMID  17299828.
  3. ^ а б Буркард, Надя; Бендер, Тобиас; Вестмайер, Йоханнес; Нардманн, Кристин; Гус, Маркус; Вечорек, Гельмут; Гронд, Стефани; фон Зезшвиц, Поултео (01.04.2010). «Новые фтористые фотоаффинные метки (F-PAL) и их применение в исследованиях ингибирования V-АТФазы». Европейский журнал органической химии. 2010 (11): 2176–2181. Дои:10.1002 / ejoc.200901463. ISSN  1099-0690.
  4. ^ Песня, Чжицюань; Чжан Цишэн (05.11.2009). «Фтористые реагенты для фотоаффинной маркировки арилдиазирина». Органические буквы. 11 (21): 4882–4885. Дои:10.1021 / ol901955y. ISSN  1523-7060. PMID  19807115.
  5. ^ а б c Kumar, Nag S .; Янг, Роберт Н. (1 августа 2009 г.). «Дизайн и синтез функциональной группы все-в-одном 3- (1,1-дифторпроп-2-инил) -3H-диазирин-3-ил для фотоаффинного мечения». Биоорганическая и медицинская химия. 17 (15): 5388–5395. Дои:10.1016 / j.bmc.2009.06.048. PMID  19604700.
  6. ^ Гу, Мин; Ян, Цзяньбинь; Бай, Жиян; Чен, Юэ-Тин; Лу, Вэй; Тан, Цзе; Дуань, Люшэн; Се, Даосинь; Нан, Фа-Цзюнь (01.05.2010). «Дизайн и синтез биотин-меченых фотоаффинных зондов жасмонатов». Биоорганическая и медицинская химия. 18 (9): 3012–3019. Дои:10.1016 / j.bmc.2010.03.059. PMID  20395151.
  7. ^ Дубинский, Люба; Jarosz, Lucja M .; Амара, Нери; Криф, Пнина; Кравченко, Владимир В .; Krom, Bastiaan P .; Мейлер, Майкл М. (24 ноября 2009 г.). «Синтез и проверка зонда для определения рецепторов, воспринимающих кворум». Химические коммуникации. 0 (47): 7378–7380. Дои:10.1039 / b917507e. PMID  20024234.
  8. ^ Вагнер, Джеральд; Кнолль, Вольфганг; Бобек, Майкл М .; Брекер, Лотар; van Herwijnen, Hendrikus W. G .; Бринкер, Удо Х. (15 января 2010 г.). «Взаимосвязь структура-реакционная способность: реакции 5-замещенного азиадамантана в кавитанде на основе резорцина [4] арена». Органические буквы. 12 (2): 332–335. Дои:10.1021 / ol902667a. ISSN  1523-7060. PMID  20017550.
  9. ^ Аль-Омари, Мохаммад; Банерт, Клаус; Хагедорн, Манфред (01.01.2006). «Би-3Н-диазирин-3-илы как предшественники высоко деформированных циклоалкинов». Angewandte Chemie International Edition. 45 (2): 309–311. Дои:10.1002 / anie.200503124. ISSN  1521-3773. PMID  16372311.
  10. ^ Веденяпина, М.Д .; Кузнецов, В. В .; Нижниковский, Э. А .; Стрельцова, Э. Д .; Махова, Н. Н .; Стручкова, М. И .; Веденяпин А.А. (01.11.2006). «Электрохимический синтез пентаметилендиазирина». Российский химический вестник. 55 (11): 2013–2015. Дои:10.1007 / s11172-006-0544-0. ISSN  1066-5285.
  11. ^ Грэм, У. Х. (1965-10-01). «Галогенирование амидинов. I. Синтез 3-галоген- и других отрицательно замещенных диазиринов1». Журнал Американского химического общества. 87 (19): 4396–4397. Дои:10.1021 / ja00947a040. ISSN  0002-7863.
  12. ^ Мосс, Роберт А. (01.04.2006). «Диазирины: прекурсоры карбена по преимуществу». Отчеты о химических исследованиях. 39 (4): 267–272. Дои:10.1021 / ar050155h. ISSN  0001-4842.
  13. ^ Чжан, Юньлун; Бурдзинский, Готар; Кубицки, Яцек; Платц, Мэтью С. (2008-12-03). «Прямое наблюдение образования карбена и диазо из арилдиазиринов с помощью сверхбыстрой инфракрасной спектроскопии». Журнал Американского химического общества. 130 (48): 16134–16135. Дои:10.1021 / ja805922b. ISSN  0002-7863. PMID  18998681.
  14. ^ Ноллер, Бастиан; Пуассон, Лайонел; Максименка, Раман; Гоберт, Оливер; Фишер, Инго; Местдаг, Дж. М. (2 апреля 2009 г.). «Сверхбыстрая динамика изолированных фенилкарбенов с последующим построением фемтосекундной карты скорости с временным разрешением». Журнал физической химии A. 113 (13): 3041–3050. Дои:10.1021 / jp810974m. ISSN  1089-5639. PMID  19245233.
  15. ^ Ноллер, Бастиан; Хембергер, Патрик; Фишер, Инго; Алькарас, Кристиан; Гарсия, Густаво А .; Сольди-Лоз, Элоиза (2009-06-23). «Фотоионизация двух фенилкарбенов и их диазириновых предшественников исследована с использованием синхротронного излучения» (PDF). Физическая химия Химическая физика. 11 (26): 5384–5391. Дои:10.1039 / b823269e. PMID  19551206.
  16. ^ а б Brunner, J .; Senn, H .; Ричардс, Ф. М. (1980-04-25). «3-Трифторметил-3-фенилдиазирин. Новая группа, производящая карбен для реагентов для фотомечения». Журнал биологической химии. 255 (8): 3313–3318. ISSN  0021-9258. PMID  7364745.
  17. ^ Ван, Джин; Кубицки, Яцек; Пэн, Хуолей; Платц, Мэтью С. (1 мая 2008 г.). «Влияние растворителя на межсистемную скорость пересечения карбенов». Журнал Американского химического общества. 130 (20): 6604–6609. Дои:10.1021 / ja711385t. ISSN  0002-7863. PMID  18433130.
  18. ^ Хатанака, Ясумару; Садакане, Ютака (01.03.2002). «Фотоаффинная маркировка в открытии и разработке лекарств: химические ворота для выхода на протеомные границы». Актуальные темы медицинской химии. 2 (3): 271–288. Дои:10.2174/1568026023394182. ISSN  1568-0266. PMID  11944820.
  19. ^ Прествич, Гленн Д .; Дорман, Дьёрдь; Эллиотт, Джон Т .; Marecak, Dale M .; Чаудхари, Ану (1 февраля 1997 г.). «Бензофеноновые фотозонды для фосфоинозитидов, пептидов и лекарств». Фотохимия и фотобиология. 65 (2): 222–234. Дои:10.1111 / j.1751-1097.1997.tb08548.x. ISSN  1751-1097.
  20. ^ Киношита, Тошинори; Каньо-Дельгадо, Ана; Сето, Хидехару; Хиранума, Сайоко; Фудзиока, Сёдзо; Ёсида, Шигео; Чори, Джоанн (2005). «Связывание брассиностероидов с внеклеточным доменом растительной рецепторной киназы BRI1». Природа. 433 (7022): 167–171. Дои:10.1038 / природа03227. PMID  15650741.
  21. ^ Балас, Лоуренс; Дюран, Тьерри; Саха, Саттьябрата; Джонсон, Иннеке; Мукхопадхьяй, Сомнатх (26 февраля 2009 г.). «Полный синтез фотоактивируемых или флуоресцентных анандамидных зондов: новые биоактивные соединения с ангиогенной активностью». Журнал медицинской химии. 52 (4): 1005–1017. Дои:10.1021 / jm8011382. ISSN  0022-2623.
  22. ^ Холл, Майкл А .; Си, Цзинь; Лор, Чонг; Дай, Шуйпин; Пирс, Роберт; Дейли, Уильям П .; Экенхофф, Родерик Г. (12 августа 2010 г.). «м-Азипропофол (AziPm) - фотоактивный аналог пропофола для внутривенной общей анестезии». Журнал медицинской химии. 53 (15): 5667–5675. Дои:10.1021 / jm1004072. ISSN  0022-2623. ЧВК  2917171. PMID  20597506.
  23. ^ Чи, Гайк-Лин; Ялович, Джек С .; Боднер, Эндрю; У, Син; Хасинофф, Брайан Б. (15 января 2010 г.). «Фотоаффинный этопозидный зонд на основе диазирина для мечения топоизомеразы II». Биоорганическая и медицинская химия. 18 (2): 830–838. Дои:10.1016 / j.bmc.2009.11.048. ЧВК  2818565. PMID  20006518.
  24. ^ Фува, Харухико; Такахаши, Ясуко; Конно, Ю. Ватанабэ, Наото; Мияшита, Хироюки; Сасаки, Макото; Нацугари, Хидеаки; Кан, Тошиюки; Фукуяма, Тору (01.06.2007). «Дивергентный синтез многофункциональных молекулярных зондов для выяснения ферментативной специфичности ингибиторов дипептидной γ-секретазы». ACS Химическая биология. 2 (6): 408–418. Дои:10.1021 / cb700073y. ISSN  1554-8929. PMID  17530731.
  25. ^ Либманн, Мейке; Ди Паскуале, Франческа; Маркс, Андреас (04.12.2006). "Новый фотоактивный строительный блок для исследования взаимодействий основной цепи ДНК: фотоаффинное маркирование ДНК-полимеразы человека β". ChemBioChem. 7 (12): 1965–1969. Дои:10.1002 / cbic.200600333. ISSN  1439-7633. PMID  17106908.
  26. ^ Виннакер, Мальте; Брегер, Саша; Штрассер, Ральф; Карелл, Томас (2009-01-05). "Новые диазирин-содержащие фотоаффинные зонды ДНК для исследования взаимодействий ДНК-белок". ChemBioChem. 10 (1): 109–118. Дои:10.1002 / cbic.200800397. ISSN  1439-7633. PMID  19012292.
  27. ^ Ямамото, Тэцуя; Хасэгава, Хироко; Хакоги, Тошиказу; Кацумура, Шигео (01.11.2006). «Универсальный метод синтеза сфинголипидов и функционализированных производных сфингозина посредством перекрестного метатезиса олефинов». Органические буквы. 8 (24): 5569–5572. Дои:10.1021 / ol062258l. ISSN  1523-7060. PMID  17107074.